資源簡介

第1節　重組DNA技術的基本工具
課標內容要求 核心素養對接
1.概述基因工程是在遺傳學、微生物學、生物化學和分子生物學等學科基礎上發展而來的。2．闡明DNA重組技術的實現需要利用限制性內切核酸酶、DNA連接酶和載體三種基本工具。 1．生命觀念：運用結構與功能觀說明基因工程的各種工具的特點。2．社會責任：關注基因工程的誕生和發展歷程，參與討論基礎理論和技術發展如何催生基因工程。
一、基因工程及其誕生與發展
1．基因工程的概念
(1)操作場所：生物體外。
(2)操作技術：轉基因等技術。
(3)操作結果：賦予生物新的遺傳特性，創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。
(4)操作水平：DNA分子水平。
2．基因工程的誕生和發展
(1)基因工程的誕生
①1944年，艾弗里等人通過肺炎鏈球菌轉化實驗證明了遺傳物質是DNA，還證明了DNA可以在同種生物的不同個體之間轉移。
②1953年，沃森和克里克建立了DNA雙螺旋結構模型并提出了遺傳物質自我復制的假說。
③1961年，尼倫伯格和馬太破譯了第一個編碼氨基酸的密碼子。
④20世紀70年代初，多種限制酶、DNA連接酶和逆轉錄酶被相繼發現，為DNA的切割、連接以及功能基因的獲得創造了條件。
⑤1973年，科學家證明質粒可以作為基因工程的載體，構建重組DNA，使外源基因在原核細胞中成功表達，并實現物種間的基因交流。
(2)基因工程的發展
①1982年，第一個基因工程藥物——重組人胰島素被批準上市。
②1984年，我國科學家朱作言領導的團隊培育出世界上第一條轉基因魚。
③1985年，穆里斯等人發明PCR，為獲取目的基因提供了有效手段。
④1990年，人類基因組計劃啟動。2003年，該計劃的測序任務順利完成。
⑤21世紀以來，科學家發明了多種高通量測序技術，可以實現低成本測定大量核酸序列，加速了人們對基因組序列的了解。
⑥2013年，華人科學家張鋒及其團隊首次報道利用最新的基因組編輯技術編輯了哺乳動物基因組。
二、DNA重組技術的基本工具
1．限制性內切核酸酶(簡稱限制酶)——“分子手術刀”
(1)來源：主要來自原核生物。
(2)功能：能夠識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開。
(3)結果：產生黏性末端或平末端。
(4)應用：已知限制酶EcoR Ⅰ和Sma Ⅰ識別的堿基序列和酶切位點分別為G↓AATTC和CCC↓GGG，在圖中寫出兩種限制酶切割DNA后產生的末端并寫出末端的種類。
EcoR Ⅰ限制酶和Sma Ⅰ限制酶識別的堿基序列不同，切割位點不同(填“相同”或“不同”)，說明限制酶具有專一性。
2．DNA連接酶——“分子縫合針”
(1)作用：將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵。
(2)種類[填表]
種類比較 E.coli DNA連接酶 T4 DNA連接酶
來源 大腸桿菌 T4噬菌體
特點 只能連接黏性末端 既可以連接黏性末端，又可以連接平末端
3．基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”
(1)質粒
①質粒的本質：是一種裸露的、結構簡單、獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外，并具有自我復制能力的環狀雙鏈DNA分子。
②質粒適于作基因運載體的特點
a．質粒DNA分子上有一個至多個限制酶切割位點，供外源DNA片段插入其中。
b．攜帶外源DNA片段的質粒進入受體細胞后，能在細胞中進行自我復制，或整合到受體DNA上，隨受體DNA同步復制。
c．人工改造的質粒常帶有標記基因，便于重組DNA分子的篩選。
(2)噬菌體、動植物病毒等。
三、DNA的粗提取與鑒定
1．實驗原理
(1)DNA、RNA、蛋白質和脂質等在物理和化學性質方面有差異，選用適當的物理或化學方法對它們進行提取。
①DNA不溶于酒精，某些蛋白質溶于酒精，分離DNA和蛋白質。
②DNA能溶于2mol/L的NaCl溶液。
(2)DNA遇二苯胺試劑會呈現藍色。
2．方法步驟
(1)研磨：取30 g洋蔥切碎，倒入10 mL研磨液研磨。
(2)除雜：漏斗中墊上紗布過濾后，在4 ℃冰箱中靜置后取上清液，也可以1 500 r/min的轉速下離心后取上清液。
(3)提取：加入體積相等、體積分數95%酒精，溶液出現白色的絲狀物是DNA。
方法一：用玻璃杯按一個(填“一個”或“兩個”)方向攪拌，卷起絲狀物，用濾紙吸去上面的水分。
方法二：10 000 r/min的轉速下離心5 min，取沉淀物晾干。
(4)鑒定：
項目 A B
2 mol/L的NaCl溶液5 mL
絲狀物或沉淀物 不加 加入
二苯胺試劑4 mL
沸水中加熱5 min
現象 無色 藍色
判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
1．基因工程的原理是基因重組，不過在這里這種變異是定向的。 (√)
2．DNA聚合酶也可以用作DNA重組技術的工具。 (×)
提示：DNA重組技術的工具有限制酶、DNA連接酶和載體，沒有DNA聚合酶。
3．限制酶在原來的原核細胞內對細胞自身有害。 (×)
提示：限制酶在原來的原核細胞內用于切割外源DNA，使之失效，從而保護自身。
4．不同DNA分子用同一種限制酶切割形成的黏性末端相同。 (√)
5．DNA連接酶既能連接黏性末端，又能連接平末端。 (×)
提示：E.coli DNA連接酶不能連接平末端。
6．載體的種類有質粒、噬菌體、動植物病毒等，其中動植物病毒必須是DNA病毒。 (√)
　基因工程的工具酶
1．限制性內切核酸酶
(1)作用特點：具有專一性，表現在以下兩個方面
①能夠識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列。
②能夠切割特定序列中的特定位點。
(2)識別序列的特點：遵循堿基互補配對原則，無論是奇數個堿基還是偶數個堿基，都可以找到一條中心軸線，如圖，中軸線兩側的雙鏈DNA上的堿基是反向對稱重復排列的。如以中心線為軸，兩側堿基互補對稱；以為軸，兩側堿基互補對稱。
(3)作用產物：黏性末端或平末端。
①黏性末端：是限制性內切核酸酶在它識別序列的中心軸線兩側將DNA的兩條鏈分別切開時形成的，如圖所示：
②平末端：是限制性內切核酸酶在它識別序列的中心軸線處切開時形成的，如圖所示：
2．DNA連接酶
(1)作用：將具有相同或互補黏性末端以及具有平末端的DNA片段“縫合”成新的DNA分子。
(2)連接方式：DNA連接酶可把黏性末端和平末端之間的縫隙“縫合”起來，相當于把梯子兩邊的扶手的斷口連接起來，形成兩個磷酸二酯鍵。DNA連接酶與堿基之間的氫鍵形成無關。
3．與DNA相關的五種酶的比較
名稱 作用部位 作用結果
限制酶 磷酸二酯鍵 將DNA切成兩個片段
DNA連接酶 磷酸二酯鍵 將兩個DNA片段連接為一個DNA分子
DNA聚合酶 磷酸二酯鍵 將單個脫氧核苷酸依次連接到單鏈末端
DNA(水解)酶 磷酸二酯鍵 將DNA片段水解為單個脫氧核苷酸
解旋酶 堿基對之間的氫鍵 將雙鏈DNA分子局部解旋為單鏈，形成兩條長鏈
1．為什么限制酶主要從原核生物中分離純化而來？推測它在原核生物中的作用是什么？它會不會切割自己的DNA分子？
提示：原核細胞容易受到外源DNA的入侵，原核細胞中的限制酶能夠切割入侵的外源DNA而保護自身。原核細胞中的限制酶不會切割自己的DNA分子，因為酶具有專一性或自己的DNA分子已被修飾而不被識別。
2．限制性內切核酸酶和DNA連接酶的作用是否都體現了酶的專一性？
提示：限制性內切核酸酶能夠識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開，體現了酶的專一性。E.coli DNA連接酶能將具有互補黏性末端的DNA片段連接起來，對末端的堿基序列沒有要求；T4 DNA連接酶既可以連接雙鏈DNA片段互補的黏性末端，又可以連接雙鏈DNA分子的平末端，都對末端的堿基序列沒有要求，因此DNA連接酶的作用沒有體現酶的專一性。
1．(2020·河北滄州一中高二月考)限制酶和DNA連接酶是基因工程的工具酶，以下說法正確的是(　　)
A.DNA連接酶能將單個核苷酸加到已有的核苷酸片段上形成磷酸二酯鍵
B.限制酶只能切割雙鏈DNA片段，不能切割煙草花葉病毒的核酸
C.E.coli DNA連接酶既能連接黏性末端，也能連接平末端
D.限制酶主要從原核生物中分離純化而來，所以也能剪切自身的DNA
B　[DNA連接酶連接的是兩個DNA片段，A項錯誤；限制酶只能切割雙鏈DNA片段而不能切割RNA，煙草花葉病毒的核酸為RNA，B項正確；E.coli DNA連接酶只能連接黏性末端，不能連接平末端，C項錯誤；限制酶主要從原核生物中分離純化而來，但是因為原核生物DNA分子中不存在該酶的識別序列或識別序列已經被修飾，所以不能剪切自身的DNA，D項錯誤。]
2．(2020·北京密云區期末改編)下列各種酶及其作用對應關系不正確的是(　　)
A.限制酶——識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開
B.RNA聚合酶——與基因的特定位點結合，催化遺傳信息的翻譯
C.DNA連接酶——將分開的DNA片段通過特定末端連接在一起
D.DNA聚合酶——將單個脫氧核苷酸連接到已有的核苷酸鏈上
B　[限制酶能識別雙鏈DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一條鏈中特定部位的磷酸二酯鍵斷開，A正確；RNA聚合酶與基因的特定位點結合，催化遺傳信息的轉錄，B錯誤；DNA連接酶將兩個DNA片段連接在一起，在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵，C正確；DNA聚合酶將單個脫氧核苷酸連接到已有的核苷酸鏈上，形成磷酸二酯鍵，D正確。]
　幾種酶的作用部位圖解
(1)作用于a(磷酸二酯鍵)的酶：限制酶(斷開)、DNA連接酶(形成)和DNA聚合酶(形成)。
(2)作用于b(氫鍵)的酶：解旋酶(斷開)。
　基因工程中常用的載體
1．特點：質粒是一種裸露的、結構簡單、具有自我復制能力的環狀雙鏈DNA分子。
2．本質：質粒是獨立于真核細胞細胞核或原核細胞擬核DNA之外的小型DNA分子，不是細胞器。
3．質粒作為載體所具備的條件
條件 分析
穩定并能復制 目的基因穩定存在且數量可擴大
有一個至多個限制酶切割位點 可攜帶多個或多種外源基因
具有特殊的標記基因 便于重組DNA的鑒定和選擇
無毒害作用 避免受體細胞受到損傷
4．標記基因的篩選原理
載體上的標記基因一般是某種抗生素的抗性基因，而未導入該基因的受體細胞沒有抵抗該抗生素的能力。
將含有某抗生素抗性基因的載體導入受體細胞，抗性基因在受體細胞內表達，受體細胞對該抗生素產生抗性。在含有該抗生素的培養基上，能夠生存的是被導入了基因表達載體的受體細胞。如圖所示：
細胞膜上的載體與基因工程中的載體有什么不同？
提示：(1)化學本質不同：細胞膜上的載體化學成分是蛋白質；基因工程中的載體可能是物質，如質粒(DNA)、λ噬菌體的衍生物，也可能是生物，如動植物病毒等。
(2)功能不同：細胞膜上的載體功能是協助細胞膜控制物質進出細胞；基因工程中的載體是一種“分子運輸車”，把目的基因導入受體細胞。
1．作為基因的運輸工具——載體，必須具備的條件之一及理由是(　　)
A.能夠在宿主細胞中穩定地保存下來并大量復制，以便提供大量的目的基因
B.具有多個限制酶切點，以便于目的基因的表達
C.具有某些標記基因，以使目的基因能夠與其結合
D.對宿主細胞無傷害，以便于重組DNA的鑒定和選擇
A　[作為載體必須能夠在宿主細胞中穩定地保存下來并大量復制，以便提供大量的目的基因，A正確；作為載體必須具有一個或多個限制酶切點，以便于目的基因的插入，而不是表達，B錯誤；作為載體必須具有標記基因，以便于重組DNA的篩選，C錯誤；作為載體必須是安全的，對受體細胞無害，以便宿主細胞能進行正常的生命活動，D錯誤。]
2．某細菌質粒如圖所示，通過標記基因可以推知外源基因插入的位置，圖示中的a、b、c是外源基因插入位置，請根據表中提供的細菌生長情況，推測①②③三種重組后細菌的外源基因插入點，正確的一組是(　　)
細菌在含氨芐青霉素的培養基上的生長狀況 細菌在含四環素的培養基上的生長狀況
① 能生長 能生長
② 能生長 不能生長
③ 不能生長 能生長
A.①是c；②是b；③是a
B.①是a和b；②是a；③是b
C.①是a和b；②是b；③是a
D.①是c；②是a；③是b
A　[①細菌能在含氨芐青霉素和四環素的培養基上生長，說明抗氨芐青霉素基因和抗四環素基因沒有被破壞，所以插入點是c；②細菌能在含氨芐青霉素的培養基上生長，而不能在含四環素的培養基上生長，說明其抗氨芐青霉素基因正常而抗四環素基因被破壞，故插入點為b；③細菌不能在含氨芐青霉素的培養基上生長，能在含四環素的培養基上生長，說明其抗氨芐青霉素基因被插入而破壞，故插入點為a。]
某線性DNA分子含有5 000個堿基對(bp)，先用限制酶a切割，再把得到的產物用限制酶b切割，得到的DNA片段大小如下表。限制酶a和b的識別序列和切割位點如下圖所示。
a酶切割產物(bp) b酶再次切割產物(bp)
2 100；1 400；1 000；500 1 900；200；800；600；1 000；500
本案例考查演繹與推理的科學思維。
(1)該DNA分子上有幾個a酶識別和切割的位點？有幾個b酶識別和切割的位點？(科學思維)
(2)a酶和b酶切出的黏性末端能相互連接嗎？(科學思維)
提示：(1)該DNA分子上有3個a酶識別和切割的位點；有2個b酶識別和切割的位點。
(2)a酶和b酶切出的黏性末端相同，因此能相連。
[課堂小結]
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1.基因工程的基本原理是基因重組，外源DNA能在受體細胞表達的理論基礎是密碼子的通用性。2．DNA重組技術的基本工具有限制性內切核酸酶、DNA連接酶和使目的基因進入受體細胞的載體。3．限制性內切核酸酶可識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并在特定位點上切割。4．E.coli DNA連接酶只能連接黏性末端，而T4 DNA連接酶既能連接黏性末端，也能連接平末端。5．質粒作為基因工程的載體需具備的條件有：能在宿主細胞內穩定保存并自我復制；具有一個或多個限制酶切割位點；具有標記基因。6．在基因工程中使用的載體除質粒外，還有噬菌體、動植物病毒等。
1．(2020·黑龍江哈師大附中月考改編)下列有關基因工程中限制酶的描述，正確的是(　　)
A.同種限制酶既可以切割目的基因又可以切割質粒，因此不具備專一性
B.限制酶只能識別和切割DNA，不能識別RNA
C.限制酶與DNA連接酶的作用部位不相同
D.限制酶只能從原核生物中提取
B　[一種限制酶能識別雙鏈DNA分子中的特定核苷酸序列，并在特定位點上切割DNA分子，既可以切割目的基因又可以切割質粒，體現了酶的專一性，A錯誤；限制酶與DNA連接酶的作用部位相同，都是磷酸二酯鍵，C錯誤；限制酶主要從原核生物中提取，D錯誤。]
2．下列關于DNA連接酶的敘述，正確的是(　　)
A.DNA連接酶連接的是兩個DNA片段堿基對之間的氫鍵
B.DNA連接酶連接的是DNA單鏈上的磷酸和脫氧核糖
C.DNA連接酶只能將單個核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端
D.E.coil DNA連接酶能將雙鏈DNA片段互補的平末端連接起來
B　[DNA連接酶連接的是兩個DNA片段之間的磷酸二酯鍵，A錯誤；DNA連接酶連接的是DNA雙鏈片段兩個脫氧核苷酸之間的磷酸和脫氧核糖，B正確、C錯誤；E.coli DNA連接酶只能將具有互補黏性末端的DNA片段連接起來，D錯誤。]
3．質粒是基因工程最常用的載體，下列有關質粒的說法錯誤的是(　　)
A.質粒不僅存在于細菌中，某些病毒也具有
B.質粒作為載體時，應具有標記基因和多個限制酶切點
C.質粒為小型環狀DNA分子，存在于擬核(區)外的細胞質基質中
D.質粒能夠在宿主細胞中穩定保存，并在宿主細胞內復制
A　[質粒為小型環狀DNA分子，不僅存在于細菌中，也存在于某些真核生物中，但病毒中沒有質粒；質粒作為載體時，應具有標記基因和多個限制酶切割位點；質粒為小型環狀DNA分子，存在于細胞核或擬核外的細胞質基質中；質粒能夠在宿主細胞中穩定保存，并在宿主細胞內復制。]
4．(2019·江蘇揚州中學高三月考改編)下列關于DNA粗提取與鑒定的敘述，錯誤的是(　　)
A.用同樣方法從等體積兔血和雞血中提取的DNA量相近
B.DNA析出過程中，攪拌操作要輕柔以防DNA斷裂
C.預冷的酒精溶液可用來粗提取DNA
D.用二苯胺試劑鑒定DNA需要進行沸水浴加熱
A　[兔屬于哺乳動物，其成熟紅細胞沒有細胞核及各種細胞器，提取不到DNA，A項錯誤；DNA分子從細胞中被釋放出來且除去蛋白質后是非常容易斷裂的，如果太過劇烈的攪拌，DNA鏈可能會被破壞，因此沿一個方向輕柔攪拌的目的是獲得較完整的DNA分子，B項正確；在預冷的體積分數為95%的酒精溶液中DNA的溶解度最低，DNA的沉淀量最大，C項正確；將析出的DNA溶解在物質的量濃度為2 mol/L的NaCl溶液中，加入二苯胺試劑后需要沸水浴加熱才會呈現藍色，D項正確。]
5．如表所示為4種限制酶的識別序列及其切割位點，請回答下列問題：
(1)從表中4種酶的切割位點看，可以切出平末端的酶是________。
(2)限制酶切割的DNA片段的縫合依靠的是________酶，它的作用是形成磷酸二酯鍵；兩條鏈間的堿基對通過________連接起來。
(3)圖1中的質粒分子可被表中限制酶________切割。
圖1
圖2
(4)在相關酶的作用下，圖1中的甲與圖2中的乙____________(填“能”或“不能”)拼接起來。請說明理由：____________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________。
[解析]　(1)由表中4種限制酶的切割位點可知，Sma Ⅰ可切出平末端。(2)限制酶切割的DNA片段縫合時用DNA連接酶進行連接，形成磷酸二酯鍵；兩條鏈之間的堿基依據堿基互補配對原則形成氫鍵。(3)根據質粒的堿基序列可知，質粒分子可被限制酶EcoR Ⅰ切割，切割后形成鏈狀DNA。(4)由圖可知，甲和乙的黏性末端相同，在DNA連接酶的作用下可以拼接起來。
[答案]　(1)Sma Ⅰ　(2)DNA連接　氫鍵　(3)EcoR Ⅰ　(4)能　二者具有相同的黏性末端第2節　基因工程的基本操作程序
課標內容要求 核心素養對接
闡明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的獲取、基因表達載體的構建、 目的基因導入受體細胞和目的基因及其表達產物的檢測鑒定等步驟。 1．科學思維：結合實例，采用文字和圖示方式說明基因工程的基本操作程序。2．生命觀念：運用結構與功能觀等觀念理解PCR技術的過程、原理、條件等。
一、目的基因的篩選與獲取
1．目的基因
(1)概念：用于改變受體細胞性狀或獲得預期表達產物等的基因。
(2)實例：培養轉基因抗蟲棉用到的目的基因是Bt抗蟲蛋白基因。
2．篩選合適的目的基因
(1)較為有效的方法：從相關的已知結構和功能清晰的基因中進行篩選。
(2)實例：在培育轉基因抗蟲棉之前，科學家不僅掌握了Bt基因的序列信息，也對Bt基因的表達產物——Bt抗蟲蛋白有了較為深入的了解。
(3)認識基因結構和功能的技術方法：DNA測序技術、遺傳序列數據庫、序列比對工具。
3．利用PCR獲取和擴增目的基因
(1)原理：DNA半保留復制。
(2)DNA復制所需的基本條件：
參與的組分 在DNA復制中的作用
解旋酶(體外用高溫代替) 打開DNA雙鏈
DNA母鏈 提供DNA復制的模板
4種脫氧核苷酸 合成DNA子鏈的原料
DNA聚合酶 催化合成DNA子鏈
引物 使DNA聚合酶能夠從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸
(3)過程：
基于PCR的過程，完成下列問題：
過程Ⅰ為變性，該階段的溫度為90_℃以上，目的是使雙鏈DNA解聚為單鏈。
過程Ⅱ為復性，該階段的溫度為50__℃左右，兩種引物通過堿基互補配對與兩條單鏈DNA結合。
過程Ⅲ為延伸，該階段的溫度為72_℃左右，該過程需要在耐高溫的DNA聚合酶的催化下，利用4種脫氧核苷酸為原料，根據堿基互補配對原則從子鏈的3′端延伸合成新的子鏈DNA。
(4)儀器：PCR擴增儀。
(5)鑒定方法：瓊脂糖凝膠電泳。
二、基因表達載體的構建(第二步)
1．基因表達載體作用
(1)使基因在受體細胞中穩定存在，并且遺傳給下一代。
(2)使目的基因能夠表達和發揮作用。
2．基因表達載體組成
基于基因表達載體的結構模式圖，完成下列問題：
基因表達載體的模式圖
(1)[A]啟動子，RNA聚合酶識別和結合的部位，可以驅動基因轉錄出mRNA，[B]目的基因。
(2)[C]終止子，轉錄停止的部位。
(3)[D]復制原點，[E]標記基因。
3．構建過程
(1)用適宜的限制酶切割載體。
(2)用同一種限制酶或能產生相同黏性末端的限制酶切割目的基因。
(3)用DNA連接酶將目的基因片段拼接到載體上。
三、將目的基因導入受體細胞
1．轉化：目的基因進入受體細胞內，并在受體細胞內維持穩定和表達的過程。
2．目的基因導入受體細胞的方法
(1)目的基因導入植物細胞
①花粉管通道法
a．用微量注射器將含目的基因的DNA溶液直接注入子房中。
b．在植物受粉后的一定時間內，剪去柱頭，將DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道進入胚囊。
②農桿菌轉化法
a．農桿菌的特點：農桿菌自然條件下侵染雙子葉植物和裸子植物；農桿菌的Ti質粒上的T DNA能夠整合到所侵染細胞的染色體DNA上。
b．轉化方法：將目的基因插入農桿菌Ti質粒的T DNA中，讓農桿菌侵染植物細胞。
(2)目的基因導入動物細胞
①常用方法：顯微注射法。
②常用受體細胞：受精卵。
(3)目的基因導入微生物細胞
①方法：用Ca2＋處理細胞，使細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態，然后將重組表達載體導入其中。
②常用受體細胞：原核細胞(使用最廣泛的是大腸桿菌)。
四、目的基因的檢測與鑒定(第四步)
1．分子水平的檢測
(1)通過PCR等技術檢測受體細胞染色體DNA上是否插入了目的基因或檢測目的基因是否轉錄出mRNA。
(2)從轉基因生物中提取蛋白質用相應的抗體進行抗原—抗體雜交，檢測目的基因是否翻譯成了蛋白質。
2．個體生物學水平的檢測：如飼喂法等。
判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
1．從已知結構和功能清晰的基因中篩選目的基因是獲取目的基因的一種有效方法。 (√)
2．Taq酶是用PCR儀對DNA分子擴增過程中常用的一種耐高溫的DNA連接酶。 (×)
提示：Taq酶是耐高溫的DNA聚合酶。
3．基因表達載體中啟動子是DNA聚合酶識別和結合的部位。
(×)
提示：啟動子是RNA聚合酶識別和結合的部位。
4．將重組表達載體導入動物受精卵常用顯微注射法。 (√)
5．轉基因抗蟲棉植株抗蟲效果的鑒定必須通過分子檢測才能達到目的。 (×)
提示：抗蟲效果的鑒定要在個體生物學水平上做抗蟲接種實驗來鑒定。
6．可通過PCR等技術檢測棉花的染色體上是否插入了Bt基因。 (√)
　PCR技術
1．PCR擴增的過程(如圖)
2．PCR擴增的計算：理論上DNA數目呈指數擴增。
(1)若開始只有一個DNA提供模板，則循環n次后獲得的子代DNA數目為2n個。
(2)若開始有N0個DNA提供模板，則循環n次后獲得的子代DNA數目為N0·2n個。
3．比較PCR擴增和體內DNA復制的異同
項目 DNA復制 PCR技術
解旋方式 解旋酶催化 DNA在高溫作用下變性解旋
場所 細胞內(主要在細胞核內) 細胞外(主要在PCR擴增儀內)
酶 解旋酶、普通的DNA聚合酶等 耐高溫的DNA聚合酶
溫度條件 細胞內溫和條件 需控制溫度，在較高溫度下進行
合成的對象 DNA分子 DNA片段或目的基因
相同點 (1)模板：均需要DNA的兩條單鏈作為模板(2)原料：均為4種脫氧核苷酸(3)酶：均需DNA聚合酶
1．PCR過程中為什么需要引物？
提示：引物是一小段單鏈DNA或RNA，作為DNA復制的起始序列，它能與DNA母鏈的一段堿基序列互補配對。存在于自然界中生物的DNA復制和人工合成中的多聚酶鏈式反應(PCR)之所以需要引物，是因為在DNA合成時DNA聚合酶只能從5′端到3′端合成子鏈。
2．某同學認為PCR過程不同的DNA片段變性時溫度是不同的，你認為他的說法正確嗎？說明你的理由。
提示：正確。變性目的是通過升高溫度破壞氫鍵，將DNA分子雙鏈變成單鏈，不同片段的DNA分子中氫鍵的數量不同導致穩定性不同，因此所需的溫度不同。
3．在利用PCR獲取和擴增目的基因時，從第幾輪循環才會產生完整的目的基因？
提示：第3輪
1．(2020·山東濰坊模擬改編)下列關于PCR的敘述，正確的是(　　)
A．PCR是體外復制DNA技術，關鍵酶是解旋酶和DNA聚合酶
B．DNA聚合酶從引物的5′端開始連接脫氧核苷酸
C．第三輪循環產物中出現位于兩種引物之間的DNA片段
D．延伸過程需要酶、ATP和4種核糖核苷酸
C　[PCR體外復制DNA不需要解旋酶，需要耐高溫的DNA聚合酶，A錯誤；DNA聚合酶從引物的3′端開始連接脫氧核苷酸，B錯誤；第三輪循環產物中出現位于兩種引物之間的DNA片段，這段固定長度的序列的數量呈指數擴增，C正確；PCR是在較高溫度條件下進行的，該過程需要耐高溫的DNA聚合酶，且PCR反應的產物是DNA，因此原料是4種游離的脫氧核苷酸，不是核糖核苷酸，也不需要ATP，D錯誤。]
2．如圖a、b、c均為PCR擴增的DNA片段，下列有關說法正確的是(　　)
A．片段a、b、c的長度均相同
B．片段a、b只是第一次循環的產物
C．片段c最早出現在第二次循環的產物中
D．經過30次循環后，片段c的數量為230
C　[圖中片段a、b只有一種引物，是由原始DNA鏈為模板復制而來，其長度比片段c長，A項不正確。由于原始模板在每次循環中均可作為模板，則每次循環都能產生圖中片段a、b，B項不正確。由于第一次循環的產物只有一種引物，而圖中片段c有兩種引物，則c最早出現在第二次循環，C項正確。經過30次循環后，得到的DNA片段總數為230，這包括圖中的片段a、b，故D項不正確。]
3．2020年新型冠狀病毒引發的疫情在世界范圍內迅速傳播。各研發機構迅速進行了針對新型冠狀病毒檢測和治療的研發。回答下列問題。
(1)科研機構在拿到新型冠狀病毒序列后，第一時間就進行了新型冠狀病毒核酸檢測試劑盒(雙重熒光PCR法)的開發。
①這里涉及的PCR是利用________________的原理，將目的基因加以復制。
②PCR技術擴增目的基因的前提是要有_________________，以便根據它合成________。
③PCR擴增的過程：目的基因DNA________后解鏈為單鏈，________與單鏈相應互補序列結合，然后在______________作用下進行延伸，如此重復循環。
[解析]　(1)①PCR的原理是DNA雙鏈復制。
②PCR技術擴增目的基因需要有一段已知目的基因的核苷酸序列，利用該序列合成引物。
③PCR擴增的過程：目的基因DNA受熱變性形成單鏈，引物與單鏈相應序列結合，在耐高溫的DNA聚合酶的催化作用下進行延伸，如此重復循環。
[答案]　(1)①DNA雙鏈復制　②一段已知目的基因的核苷酸序列　引物　③受熱變性　引物　耐高溫的DNA聚合酶
　目的基因導入受體細胞及目的基因的檢測與鑒定
1．目的基因導入受體細胞的方法
生物類型 方法 受體細胞 轉化過程 特點
植物 農桿菌轉化法 體細胞或受精卵 目的基因插入Ti質粒的T DNA上→轉入農桿菌→導入植物細胞→插入植物細胞中的染色體DNA上→目的基因表達 適用于雙子葉植物和裸子植物
花粉管通道法 在植物受粉后的一定時間內，剪去柱頭，將DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道進入胚囊 適用于任何開花植物
動物 顯微注射法 受精卵 目的基因表達載體提純→取卵(受精卵)→顯微注射→受精卵發育→獲得具有新性狀的轉基因動物 是采用最多、最有效的方法
微生物 Ca2＋處理法 原核細胞 Ca2＋處理微生物細胞→使細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態→將基因表達載體與感受態細胞混合在緩沖液中→一定溫度下促使該細胞吸收DNA分子 原核生物繁殖快、多為單細胞、遺傳物質相對較少，從而成為最常用的受體細胞
2．目的基因的檢測與鑒定
3．常見轉基因生物在個體水平上鑒定、檢測的方法
轉基因生物 檢測方法 觀察目標
抗蟲植物 飼喂害蟲 害蟲死亡
抗病毒(菌)植物 病毒(菌)感染 未侵染上病斑
抗鹽植物 鹽水澆灌 正常生長
抗除草劑植物 噴灑除草劑 正常生長
1．農桿菌轉化法為什么要將目的基因插入農桿菌質粒的T DNA片段？
提示：Ti質粒的T DNA片段可以整合到受體細胞的染色體上。
2．如果改用花粉管通道法將目的基因導入受體細胞，與農桿菌轉化法相比有什么優點？
提示：(1)操作簡便；(2)直接將目的基因導入受精卵，無須組織培養即可獲得植株。(答出一個即可，其他答案合理也可)
3．將目的基因導入動物細胞的受體細胞除了受精卵外，還可以選擇什么細胞？
提示：還可以將目的基因導入胚胎干細胞，因為胚胎干細胞也能發育成動物體。
1．(2020·山東泰安期中改編)下列關于將目的基因導入受體細胞的敘述，錯誤的是(　　)
A．可利用花粉管通道法培育轉基因植物
B．用Ca2＋處理大腸桿菌，以改變大腸桿菌細胞的生理狀態
C．對于動物來說，受體細胞一般是受精卵
D．將目的基因轉入微生物細胞常用顯微注射法
D　[可利用花粉管通道法培育轉基因植物，A正確；用Ca2＋處理大腸桿菌，使之處于一種能夠吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態，B正確；對于動物來說，受體細胞一般是受精卵，因為受精卵的全能性易于表現，C正確；將目的基因轉入動物細胞常用顯微注射法，將目的基因轉入微生物細胞常用Ca2＋處理法，D錯誤。]
2．目的基因導入受體細胞后，需要檢測目的基因是否可以維持穩定和表達其遺傳特性。下列關于目的基因的檢測和鑒定的敘述，正確的是(　　)
A．目的基因能否在受體細胞中穩定遺傳的關鍵是能否轉錄出mRNA
B．可采用PCR檢測目的基因是否轉錄和翻譯
C．可從轉基因生物中提取蛋白質來檢測目的基因是否翻譯成相應蛋白質
D．抗蟲、抗病檢驗用于確定轉基因生物是否具備相關性狀屬于分子水平的檢測
C　[目的基因導入受體細胞后，首先要檢測轉基因生物(染色體)DNA上是否插入了目的基因，這是目的基因能否在受體細胞中穩定遺傳的關鍵，A錯誤；PCR可用于檢測目的基因是否轉錄，檢測目的基因是否翻譯用抗原—抗體雜交技術，B錯誤；抗蟲、抗病檢驗用于確定轉基因生物是否具備相關性狀屬于個體生物學水平的鑒定，D錯誤。]
在基因工程操作中，科研人員利用識別兩種不同識別序列的限制酶(R1和R2)處理基因表達載體，進行聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測，結果如圖所示。請思考回答：
本案例考查學生演繹與推理的科學思維及對實驗結果交流與討論的科學探究能力。
(1)該載體是環形DNA還是鏈狀DNA？說明理由。(科學思維)
(2)兩種限制酶在載體上的酶切位點各有幾個？(科學思維)
(3)限制酶R1與R2的酶切位點的最短距離是多少？(科學思維)
提示：(1)該載體應為環形DNA，因為僅用一種限制酶切割載體時，僅產生一種長度為800 Kb的DNA片段。
(2)兩種限制酶在載體上的酶切位點各有1個。
(3)限制酶R1與R2的酶切位點的最短距離為200 Kb。
[課堂小結]
知 識 網 絡 構 建 核 心 語 句 背 誦
1.基因工程的基本操作程序有：(1)目的基因的篩選與獲取；(2)基因表達載體的構建；(3)將目的基因導入受體細胞；(4)目的基因的檢測與鑒定。2.PCR反應液中需要提供DNA模板、分別與兩條模板鏈結合的2種引物、4種脫氧核苷酸和耐高溫的DNA聚合酶。3.PCR反應中每次循環一般可分為變性、復性、延伸三步。4.基因表達載體的構建是基因工程的核心，基因表達載體是載體的一種，除了目的基因外，它還必須有啟動子、終止子以及標記基因等。5.將目的基因導入植物細胞的方法有農桿菌轉化法和花粉管通道法。6.將目的基因導入動物細胞常用顯微注射技術，導入微生物細胞常用感受態細胞法(Ca2＋處理法)。
1．基因工程主要操作步驟的順序是(　　)
①基因表達載體的構建
②將目的基因導入受體細胞
③目的基因的檢測與鑒定
④目的基因的獲取
A．③②④① B．②④①③
C．④①②③ D．③④①②
C　[基因工程的主要操作步驟順序是：目的基因的獲取→基因表達載體的構建→將目的基因導入受體細胞→目的基因的檢測和鑒定。]
2．(2021·遼寧省適應性測試)PCR是一項在生物體外復制特定DNA片段的核酸合成技術，與人體細胞內DNA分子復制相比，下列有關敘述錯誤的是(　　)
A．都遵循堿基互補配對原則
B．DNA聚合酶作用的最適溫度不同
C．都是邊解旋邊復制的過程
D．復制方式都是半保留復制
C　[DNA分子的體外復制和體內復制都遵循堿基互補配對原則，A正確；PCR技術是在較高溫度條件下進行的，因此PCR與細胞內DNA復制相比所需要酶的最適溫度較高，B正確；PCR技術是在較高溫度條件下打開雙鏈后進行擴增的，不是邊解旋邊復制的，C錯誤；DNA復制方式都是半保留復制，D正確。]
3．(2020·山東棗莊八中月考)以下關于基因表達載體的構建的說法正確的是(　　)
A．基因表達載體的構建是在生物體的細胞內完成的
B．表達載體中只有啟動子才能驅動目的基因轉錄出mRNA
C．基因表達載體的組成應包括啟動子、終止密碼子、目的基因、標記基因等
D．表達載體通常采用抗生素合成基因作為標記基因
B　[基因表達載體的構建是在生物體外完成的，A錯誤；基因表達載體的組成應包括啟動子、終止子、目的基因、標記基因等，終止密碼子位于mRNA上，C錯誤；表達載體通常采用抗生素抗性基因作為標記基因，D錯誤。]
4．下列關于目的基因導入受體細胞的描述，不正確的是(　　)
A.培育“黃金大米”可用花粉管通道法導入目的基因
B．顯微注射技術是轉基因動物中采用最多的方法
C．目的基因導入大腸桿菌最常用的方法是Ca2＋處理法
D．農桿菌轉化法是將目的基因導入植物細胞最常用的方法
A　[水稻的花很小，不適合用花粉管通道法導入目的基因，A錯誤；將目的基因導入動物細胞常用顯微注射法，B正確；將目的基因導入微生物細胞最常用的方法是用Ca2＋處理大腸桿菌，使其處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的狀態，C正確；將目的基因導入植物細胞最常用的方法是農桿菌轉化法，此外還有基因槍法和花粉管通道法，D正確。]
5．下圖是將某細菌的基因A導入大腸桿菌內制備“工程菌”的示意圖。
據圖回答：
(1)獲得A有兩條途徑：一是以A的mRNA為模板，在________酶的催化下，合成互補的單鏈DNA，然后在________的作用下合成雙鏈DNA，從而獲得所需基因；二是根據目標蛋白質的__________序列，推測出相應的mRNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測其DNA的________序列，再通過化學方法合成所需基因。
(2)利用PCR技術擴增DNA時，需要在反應體系中添加的有機物質有________、________、4種脫氧核糖核苷三磷酸和耐高溫的DNA聚合酶，擴增過程可以在PCR擴增儀中完成。
(3)由A和載體B拼接形成的C通常稱為________________。
(4)在基因工程中，常用Ca2＋處理D，其目的是______________。
[解析]　(1)利用逆轉錄法合成目的基因的過程是：以mRNA為模板，在逆轉錄酶的催化作用下合成單鏈DNA，然后在DNA聚合酶作用下，合成雙鏈DNA分子；根據蛋白質工程合成目的基因的過程是：根據目標蛋白質的氨基酸序列，推測出相應的mRNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測DNA中脫氧核苷酸的排列順序，通過化學方法合成。(2)PCR過程中需要酶、底物、模板、引物和能量等條件。(3)目的基因和載體結合，形成基因表達載體。(4)在利用大腸桿菌作受體細胞時，需要先用Ca2＋處理，使其處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的狀態。
[答案]　(1)逆轉錄　DNA聚合酶　氨基酸　脫氧核苷酸　(2)引物　模板(A基因)　(3)基因表達載體　(4)使其處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的狀態第3節　基因工程的應用
課標內容要求 核心素養對接
舉例說明基因工程在農業、食品及醫藥等行業的廣泛應用改善了人類的生活品質。 1．科學思維：基于基因工程在農牧業、醫藥衛生和食品工業應用的實例說明基因工程給社會帶來的巨大進步。2．社會責任：基于基因工程在各方面發展的前景，理性看待基因工程的安全性。
一、基因工程在農牧業方面的應用
1．轉基因抗蟲植物
(1)技術方法：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，將它導入作物中，培育出具有抗蟲性的作物。
(2)實例：抗蟲棉花、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。
2．轉基因抗病植物
(1)技術方法：將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因導入植物中，培育出了轉基因抗病植物。
(2)實例：轉基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。
3．轉基因抗除草劑植物
(1)技術方法：將降解或抵抗某種除草劑的基因導入作物，可培育出抗除草劑的作物品種。
(2)實例：轉基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4．改良植物的品質
(1)技術方法：將某種必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，可以提高這種氨基酸的含量。
(2)實例：轉基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。
5．提高動物的生長速率
(1)技術方法：將外源生長激素基因導入動物體內，提高動物的生長速率。
(2)實例：轉基因鯉魚。
6．改善畜產品的品質
(1)技術方法：將腸乳糖酶基因導入奶牛基因組。
(2)實例：乳汁中乳糖含量大大降低的轉基因奶牛。
二、基因工程在醫藥衛生領域的應用
(1)技術方法
①對微生物或動植物的細胞進行基因改造，使它們能夠生產藥物。
②利用乳腺生物反應器生產藥物：將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起，通過顯微注射導入哺乳動物的受精卵中，培育出的轉基因動物通過分泌乳汁生產所需要的藥物。
③培育移植器官：在器官供體的基因組中導入某種調節因子抑制抗原決定基因的表達或設法除去抗原決定基因，然后再結合克隆技術，培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因克隆器官。
(2)實例：重組人干擾素、促紅細胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
三、基因工程在食品工業方面的應用
(1)技術方法：利用基因工程菌生產食品工業用酶、氨基酸和維生素等。例如將編碼牛凝乳酶的基因導入大腸桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業發酵批量生產凝乳酶。
(2)實例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。
判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
1．農業害蟲不會對轉基因抗蟲作物產生抗性。 (×)
提示：害蟲仍會對抗蟲作物產生抗性。
2．培育轉基因抗病植物的目的基因主要來源于病毒、真菌。 (√)
3．基因工程中，要培育轉基因植物和動物，選用的受體細胞都是受精卵。
(×)
提示：培育轉基因動物時，所選用的受體細胞一般是受精卵；培育轉基因植物時，所選用的受體細胞可以是受精卵，也可以是體細胞。
4．利用工程菌可生產人的胰島素等某些激素。 (√)
5．乳腺反應器就是把藥用蛋白基因導入動物的乳腺細胞中。 (×)
提示：應是把藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起，通過顯微注射法導入哺乳動物的受精卵中。
　利用乳腺生物反應器和工程菌生產藥物
1．乳腺生物反應器的操作過程
2．乳腺生物反應器與工程菌生產藥物的區別
比較內容 乳腺生物反應器 工程菌
含義 指讓外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達，利用動物的乳腺組織生產藥物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系
受體基因結構與人類基因結構差異 動物基因結構與人類的基因結構基本相同 細菌和酵母菌的基因結構與人類有較大差異
基因表達 合成的藥物蛋白與天然蛋白質相同 細菌合成的藥物蛋白可能沒有活性
受體細胞 動物受精卵 微生物細胞
目的基因導入方式 顯微注射法 感受態細胞法
生產條件 不需嚴格滅菌；溫度等外界條件對其影響不大 需嚴格滅菌，嚴格控制工程菌所需的溫度、pH、營養物質濃度等外界條件
藥物提取 從動物乳汁中提取 從微生物細胞或其培養液中提取
生產設備 畜牧業生產、提取設備 發酵生產、提取設備
1．為了生產藥物，常把藥用蛋白基因構建的表達載體導入大腸桿菌或酵母菌細胞中構建工程菌，選用細菌或酵母菌作為受體細胞的優點有哪些？
提示：細菌和酵母菌繁殖快，多為單細胞，遺傳物質相對少，生產能力大等。
2．繼哺乳動物乳腺生物反應器研發成功后，膀胱生物反應器的研究也取得了成功。科學家培育出一種轉基因小鼠，其膀胱上皮細胞可以合成人的生長激素并分泌到尿液中。在研制膀胱生物反應器時，應使藥用蛋白基因在什么細胞中特異表達？它與乳腺生物反應器有什么相同和不同點？
提示：應使藥用蛋白基因在膀胱上皮細胞中特異表達。相同點是收集藥用蛋白較容易，且不會對動物造成傷害。不同點是乳腺生物反應器必須是處于生殖期的雌性動物才可生產藥用蛋白，而膀胱生物反應器則是任何生長期的雌雄動物均可生產。
1．tPA是機體在凝血平衡調節中發揮關鍵性作用的蛋白質，如圖是利用奶牛乳腺生產tPA的圖解，據圖回答下列問題：
(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺細胞中特異性表達，需將其與________________________等調控元件重組在一起。
(2)乳腺生物反應器生產醫用人體蛋白比工程菌有優勢，是由于乳腺細胞有較強的________能力，省卻了從工程菌細胞內提取時的破壁、分離等程序，大大降低了成本。
[解析]　(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺細胞中特異性表達，需將其與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起。(2)乳腺細胞有較強的分泌能力，使得乳腺生物反應器生產醫用人體蛋白比工程菌有優勢。
[答案]　(1)乳腺中特異表達的基因的啟動子　(2)分泌
2．人血清白蛋白(HSA)具有重要的醫用價值，只能從人血漿中制備。下圖是以基因工程技術獲取重組HSA(rHSA)的兩條途徑。
(1)為獲取HSA基因，首先需采集人的血液，提取__________合成總cDNA，然后以cDNA為模板，使用PCR技術擴增HSA基因。下圖中箭頭表示一條引物結合模板的位置及擴增方向，請用箭頭在方框內標出另一條引物的位置及擴增方向。
(2)啟動子通常具有物種及組織特異性，構建在水稻胚乳細胞內特異表達rHSA的載體，需要選擇的啟動子是________(填寫字母，單選)。
A．人血細胞啟動子
B．水稻胚乳細胞啟動子
C．大腸桿菌啟動子
D．農桿菌啟動子
(3)人體合成的初始HSA多肽，需要經過膜系統加工形成正確空間結構才有活性。與途徑Ⅱ相比，選擇途徑Ⅰ獲取rHSA的優勢是_______________。
(4)為證明rHSA具有醫用價值，須確認rHSA與________的生物學功能一致。
[解析]　(1)要想合成總cDNA，需要采集人的血液獲得總RNA。由于DNA的復制只能從脫氧核苷酸單鏈的5′端向3′端延伸，因而引物均應結合在DNA單鏈的3′端，而DNA的兩條鏈反向平行，由此可以確定引物在另一條脫氧核苷酸單鏈的位置和方向。(2)若要從水稻胚乳細胞內獲得目的產物，需要控制該目的基因只在水稻胚乳細胞內表達。由題干中的信息“啟動子通常具有物種及組織特異性”可知，此處需要選擇水稻胚乳細胞啟動子。(3)途徑Ⅰ和Ⅱ的主要區別是途徑Ⅰ的受體細胞是真核細胞，途徑Ⅱ的受體細胞是原核細胞。由于人體合成的初始HSA多肽需要經膜系統加工形成正確的空間結構才有生物活性，所以選擇途徑Ⅰ獲取rHSA更具有優勢。(4)rHSA是基因工程的產物，為判斷其是否具有醫用價值，還需要在個體水平上進一步確認其與HAS的生物學功能是否一致。
[答案]　(1)總RNA(或mRNA)
(2)B　(3)水稻是真核生物，具有膜系統，能對初始rHSA多肽進行高效加工　(4)HSA
矮牽牛花瓣紫色的深淺由花青素的含量高低決定，花青素由查耳酮合酶(CHS)催化合成。為獲得紫色更深的矮牽牛，科研人員將CHS基因導入野生型紫花矮牽牛葉肉細胞中，得到的轉基因植物花色反而出現了淺紫色。檢測CHS基因的轉錄水平，得到如下圖所示電泳圖譜(2道和3道分別表示野生型和轉基因植株)。
本示例考查演繹與推理和歸納與概括的科學思維及對實驗結果交流和討論的能力。
請根據實驗結果從內源CHS基因和外源CHS基因表達水平分析轉基因牽牛花花色變淺的原因。(科學思維)
提示：由于外源CHS基因的導入，造成內源CHS基因的表達被抑制，導致外源CHS基因和內源CHS基因的綜合表達量沒有野生型的內源CHS基因表達量高。
[課堂小結]
知 識 網 絡 構 建 核 心 語 句 背 誦
1.將來源于某些病毒、真菌的抗病基因導入植物中，培育轉基因抗病植物。2.將外源生長激素基因導入鯉魚，可提高鯉魚的生長速度。3.將藥用蛋白基因導入大腸桿菌或酵母菌構建工程菌可生產藥物。4.將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組成表達載體導入哺乳動物的受精卵中可構建乳腺生物反應器。5.在器官供體的基因組中導入某種調節因子，以抑制抗原決定基因的表達，或設法除去抗原決定基因，然后結合克隆技術，可培育出不會引起免疫排斥反應的轉基因克隆器官。
1．抗病毒轉基因植物成功表達后，以下說法正確的是(　　)
A．抗病毒轉基因植物可以抵抗所有病毒
B．抗病毒轉基因植物對病毒的抗性具有局限性或特異性
C.抗病毒轉基因植物可以抗害蟲
D．抗病毒轉基因植物可以穩定遺傳，不會變異
B　[由于外源抗病毒基因具有特異性，因而其表達產物具有特異性或局限性，只能抵抗某種或某類病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害蟲。目的基因導入受體細胞后，可以隨受體內的自身遺傳物質穩定遺傳，也會同自身遺傳物質一樣發生變異。]
2．下列有關乳腺生物反應器的敘述錯誤的是(　　)
A．動物基因結構與人類基因結構相同
B．乳腺生物反應器生產的藥物是自然界沒有的
C．可從具有目的基因的轉基因雌性動物乳汁中提取藥物
D.乳腺生物反應器是轉基因技術在畜牧業中的應用
B　[乳腺生物反應器生產的藥物在自然界中可以找到，只不過在轉基因動物體內更容易提取到較大量的藥物。]
3．應用基因工程的方法，可將酵母菌制造成“工程菌”，用于生產乙肝疫苗，在制造該“工程菌”時，應向酵母菌中導入(　　)
A．乙肝病毒的表面抗原
B．抗乙肝病毒抗體的基因
C．抗乙肝病毒的抗體
D．乙肝病毒的表面抗原的基因
D　[利用基因工程生產乙肝疫苗時，應該向酵母菌中導入乙肝病毒的表面抗原基因。]
4．下列不屬于基因工程成果的是(　　)
A．乳腺生物反應器生產藥用蛋白
B．從大腸桿菌體內獲得白細胞介素
C．從大腸桿菌內獲得生長激素
D．用高產青霉菌生產青霉素
D　[乳腺生物反應器是用轉基因動物生產藥物，屬于基因工程成果，A錯誤；從大腸桿菌體內獲得白細胞介素及從大腸桿菌體內獲得生長激素都是將相關基因轉入大腸桿菌，從而得到的基因工程藥物，屬于基因工程成果，B、C錯誤；用高產青霉菌生產青霉素是利用基因突變的原理進行的誘變育種，不屬于基因工程的范疇，D正確。]
5．糖尿病已經成為危害人類健康的嚴重疾病之一，注射胰島素是目前治療糖尿病最為有效的途徑和手段。如何生產優質而不昂貴的人胰島素，是當下醫藥界急需攻克的科學難題。下圖為利用基因工程技術生產人胰島素的操作過程示意圖，請回答：
(1)在基因表達載體中，________是RNA聚合酶識別和結合的部位，有了它才能驅動基因轉錄出mRNA。
(2)圖中細胞1是________細胞。過程②必需的酶是________。過程③④⑤為利用________技術擴增目的基因，此過程必需的酶是________。過程③斷開的是________鍵，在體外進行PCR操作時，實現該過程的處理方法是________。能否利用人的皮膚細胞來完成過程①，為什么？____________________。
(3)為便于重組DNA的鑒定和選擇，圖中C的組成必須有________；為使過程⑧更易進行，可用________處理大腸桿菌。
(4)過程⑩得到的人胰島素需要體外加工才具有生物活性，原因是大腸桿菌______________。
[解析]　(1)啟動子是RNA聚合酶識別和結合的部位，有了它才能驅動基因轉錄出mRNA。(2)圖中過程①為胰島素基因轉錄出mRNA，過程②為胰島素mRNA經反轉錄獲得目的基因，過程③④⑤為利用PCR技術擴增目的基因，過程⑥為用限制酶切割載體，過程⑦為目的基因與載體結合構建基因表達載體，過程⑧為將目的基因導入受體細胞。反轉錄過程需要逆轉錄酶，利用PCR技術擴增DNA需要耐高溫的Taq酶。過程③斷開的是DNA兩條鏈間的氫鍵，在體外進行PCR操作時，實現該過程的處理方法為加熱至90～95 ℃。(3)圖中B為質粒，其實質為DNA，基本組成單位為4種脫氧核苷酸。構建的基因表達載體中必須有標記基因，以利于重組DNA的鑒定和選擇。將目的基因導入大腸桿菌最常用的轉化方法是Ca2＋處理法，用Ca2＋處理可使大腸桿菌細胞處于能夠吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態。(4)大腸桿菌細胞內沒有內質網和高爾基體，不能將肽鏈加工成為有活性的人胰島素。
[答案]　(1)啟動子　(2)(人)胰島B　逆轉錄酶　PCR
Taq酶(或耐高溫的DNA聚合酶)　氫　加熱(至90 ℃以上)　不能。皮膚細胞中的胰島素基因不表達，不能形成胰島素mRNA　(3)標記基因　Ca2＋　(4)沒有內質網和高爾基體，不能對蛋白質進行加工第4節　蛋白質工程的原理和應用
課標內容要求 核心素養對接
1.概述人們根據基因工程原理，進行蛋白質設計和改造，可以獲得性狀和功能符合人類要求的蛋白質。2．舉例說明依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。 1．生命觀念：運用結構與功能觀，說明蛋白質工程設計的原理。2．科學思維：基于實例，采用模型與建模、歸納與概括等方法，表示蛋白質工程的基本思路。
一、蛋白質工程的概念
1．基礎
蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系。
2．操作方法：改造或合成基因。
3．結果：改造現有的蛋白質或制造一種新的蛋白質。
4．目的：獲得滿足人類生產和生活的需求的蛋白質。
5．與基因工程的關系：在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。
二、蛋白質工程崛起的緣由
1．基因工程的實質和不足
(1)實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。
(2)基因工程存在的不足：原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。
2．蛋白質工程的崛起
(1)理論和技術條件：分子生物學、晶體學以及計算機技術的迅猛發展。
(2)天然蛋白質存在不足：天然蛋白質的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。
(3)實例：
蛋白質缺陷 改造措施 改造后效果
玉米中賴氨酸含量低 賴氨酸合成中兩種酶的氨基酸被替換 玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍
三、蛋白質工程的基本原理
1．目標：根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行設計改造。
2．方法：改造基因或合成基因。
3．基本思路
基于蛋白質的合成過程和蛋白質工程的基本思路，完成下列填空。
①蛋白質　②多肽鏈　③mRNA　④目的基因
A推測應有的氨基酸序列
B找到并改變基因或合成新的基因
C轉錄　D翻譯
四、蛋白質工程的應用
1．在醫藥工業方面的應用
(1)研發速效胰島素類似物：科學家通過改造胰島素基因使B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與29位的賴氨酸交換位置，從而有效抑制了胰島素的聚合，研發出速效胰島素類似物。
(2)提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，提高了干擾素的保存時間。
(3)改造抗體：將小鼠單克隆抗體上結合抗原的區域“嫁接”到人的抗體上，降低了誘發人體免疫反應的強度。
2．在其他工業和農業方面的應用
(1)改進酶的性能或開發新的工業用酶：利用蛋白質工程獲得蛋白酶的多種突變體。
(2)改造某些重要的酶：利用蛋白質工程改造參與調控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。
判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
1．蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構。 (×)
提示：蛋白質工程中直接改造的是基因，不是蛋白質。
2．蛋白質工程能產生自然界中不存在的新型蛋白質分子。 (√)
3．實施蛋白質工程的前提條件是了解蛋白質結構和功能的關系。 (√)
4．基因工程遵循中心法則，而蛋白質工程不遵循。 (×)
提示：蛋白質工程的基本思路是按照中心法則相反的過程進行的。
5．根據某多肽鏈的一段氨基酸序列，可以很容易地確定控制該肽鏈合成的基因的脫氧核苷酸序列。 (×)
提示：由于密碼子的簡并性，根據某多肽鏈的一段氨基酸序列，不能確定基因的脫氧核苷酸序列。
6．蛋白質工程是一項難度很大的工程，主要是因為人們對蛋白質復雜的高級結構沒有完全認識。 (√)
　蛋白質工程與基因工程的比較
項目 蛋白質工程 基因工程
區別 起點 預期蛋白質功能 目的基因
過程 預期蛋白質功能→設計蛋白質結構→推測氨基酸序列→推測脫氧核苷酸序列→合成DNA→表達出蛋白質 獲取目的基因→構建基因表達載體→導入受體細胞→目的基因的檢測與鑒定
實質 通過改造相應的基因達到對蛋白質進行改造的目的 基因重組
區別 結果 可以創造出自然界不存在的蛋白質 生產自然界已存在的蛋白質
應用及現狀 ①主要集中在對現有蛋白質進行改造，如干擾素、天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶等②對創造新的蛋白質還有許多技術難題未突破，因為蛋白質高級結構非常復雜，人們對此知之甚少 ①已被廣泛應用，如轉基因植物、動物、藥品生產等已商業化②基因治療僅處于初期的臨床試驗階段
聯系 ①蛋白質工程獲得目的基因后，需要通過基因工程獲得預期蛋白質②蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程
1．為什么蛋白質工程不是直接改造蛋白質而是通過基因改造和基因合成來完成？
提示：(1)任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白質也是無法遺傳下去的。(2)對基因進行改造比對蛋白質進行直接改造容易操作，難度小得多。
2．如果已經推測出多肽中的氨基酸序列，那么推測出的基因中的堿基序列是否唯一呢？說明你的理由。
提示：不唯一，因為一種氨基酸有一種或多種密碼子，因此獲得的基因總的堿基排列順序有多種。
1．(2021·福州一中期末)基因工程與蛋白質工程的區別是(　　)
A．基因工程需對基因進行分子水平操作，蛋白質工程不對基因進行操作
B．基因工程合成的是天然存在的蛋白質，蛋白質工程合成的不是天然存在的蛋白質
C．基因工程是分子水平操作，蛋白質工程是細胞水平(或性狀水平)操作
D．基因工程完全不同于蛋白質工程
B　[基因工程和蛋白質工程均是對基因進行操作，A錯誤。基因工程合成的是天然存在的蛋白質，蛋白質工程可以合成非天然存在的蛋白質，B正確。基因工程和蛋白質工程都是分子水平的操作，C錯誤。基因工程是將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀，但只能生產自然界已存在的蛋白質；蛋白質工程是通過修改基因或創造合成新基因來合成新的蛋白質，改變生物的遺傳性狀，蛋白質工程不完全同于基因工程，蛋白質工程被稱為第二代基因工程，D錯誤。]
2．已知生物體內有一種蛋白質(P)，該蛋白質是一種轉運蛋白，由305個氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列問題：
(1)從上述資料可知，若要改變蛋白質的功能，可以考慮對蛋白質的______________進行改造。
(2)以P基因序列為基礎，獲得P1基因的途徑有修飾________基因或合成________基因。所獲得的基因表達時是遵循中心法則的，中心法則的全部內容包括__________的復制以及遺傳信息在不同分子之間的流動，即：_________________________。
(3)蛋白質工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預期蛋白質功能出發，通過________________和________________，進而確定相對應的脫氧核苷酸序列，據此獲得基因，再經表達、純化獲得蛋白質，之后還需要對蛋白質的生物__________進行鑒定。
[解析]　(1)根據題意可知，對蛋白質的氨基酸序列(或結構)進行改造，可達到改變蛋白質的功能的目的。(2)以P基因序列為基礎，獲得P1基因，可以對P基因進行修飾改造，也可以用人工方法合成P1基因；中心法則的全部內容包括DNA和RNA的復制、DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質。(3)蛋白質工程的基本途徑是從預期蛋白質功能出發，通過設計蛋白質結構和推測氨基酸序列，進而確定相對應的脫氧核苷酸序列，并獲取基因。經表達的蛋白質，要對其進行生物功能鑒定。
[答案]　(1)氨基酸序列(或結構)　(2)P　P1　DNA和RNA(或遺傳物質)　DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(或轉錄、逆轉錄、翻譯)　(3)設計蛋白質的結構　推測氨基酸序列　功能
　“二看法”判斷基因工程和蛋白質工程
　
科學家對鼠源雜交瘤抗體進行改造，生產出效果更好的鼠—人嵌合抗體，用于癌癥治療。下圖表示形成鼠—人嵌合抗體的過程，據圖回答下面的問題：
本案例考查學生的演繹與推理和歸納與概括的科學思維。
(1)改造鼠源雜交瘤抗體，是對人抗體和鼠抗體直接進行操作嗎？操作的思路應該是什么？(科學思維)
(2)經過改造的鼠—人嵌合抗體，與鼠源雜交瘤抗體相比較，突出的優點是什么？(生命觀念)
提示：(1)不是對人抗體和鼠抗體進行直接操作。操作的思路是根據需要設計出人—鼠抗體的結構，推測出氨基酸的序列和基因的堿基序列，對小鼠的基因進行改造。
(2)對人體的不良反應減少。
[課堂小結]
知 識 網 絡 構 建 核 心 語 句 背 誦
1.基因工程在原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質。2.蛋白質工程并不是直接改造蛋白質分子的結構，而是通過基因操作來實現對天然蛋白質的改造。3.蛋白質工程的基本途徑：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列。4.蛋白質工程是以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因改造或基因合成，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需要。
1．蛋白質工程中需要直接進行操作的對象是(　　)
A．氨基酸結構
B．蛋白質空間結構
C．肽鏈結構
D．基因結構
D　[蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活需求。因此蛋白質工程最終還是要對基因進行改造。]
2．蛋白質工程在設計蛋白質結構時依據的是(　　)
A．基因功能
B．蛋白質功能
C．氨基酸序列
D．mRNA密碼子序列
B　[蛋白質工程依據蛋白質功能，設計蛋白質結構，再推測并合成相應的基因。]
3．蛋白質工程的基本操作程序正確的是(　　)
①蛋白質分子結構合成　②DNA合成　③mRNA合成　④蛋白質的預期功能　⑤根據氨基酸的序列推出脫氧核苷酸的序列
A．①→②→③→④→⑤→①
B．⑤→④→③→②→①→②
C．④→①→⑤→②→③→①
D．②→③→⑤→①→②→④
C　[蛋白質工程的操作流程為：從預期的蛋白質功能出發→設計預期的蛋白質結構→推測應有的氨基酸序列→找到相對應的脫氧核苷酸序列(即基因)→修改或合成的基因表達出相應的蛋白質。]
4．(2020·山東濰坊模擬)蛋白質工程中，要對蛋白質結構進行設計改造，必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質的主要原因是(　　)
A．缺乏改造蛋白質所必需的工具酶
B．蛋白質中氨基酸的排列順序千變萬化，操作難度大
C．人類對大多數蛋白質的高級結構知之甚少
D．改造基因易于操作且改造后能夠遺傳
D　[蛋白質工程應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質的改造，原因是：(1)任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過后蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接進行改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。(2)對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。]
5．糖尿病是近年來高發的“富貴病”，常見類型有遺傳型糖尿病和Ⅱ型糖尿病。遺傳型糖尿病的主要病因之一是胰島受損。科研機構作出如下設計：取糖尿病患者的細胞，將人的正常胰島素基因導入其中，然后進行細胞培養，誘導產生胰島組織，重新植入患者的胰島，使胰島恢復功能。Ⅱ型糖尿病需要注射胰島素治療。目前臨床使用的胰島素制劑注射120 min后才出現高峰，與人體生理狀態不符。科研人員通過一定的工程技術手段，將胰島素B鏈的28號和29號氨基酸互換，獲得了速效胰島素，速效胰島素已通過臨床試驗。
(1)對遺傳型糖尿病進行基因治療的方案中，胰島素基因稱為________，實驗室中要先對該基因利用________技術進行擴增。將該基因導入正常細胞所用的方法是________。
(2)科研人員利用蛋白質工程合成速效胰島素，該技術的實驗流程為：
―→
其中，流程A是________________，流程B是________________。
(3)與基因工程相比，蛋白質工程是以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因__________或基因________，對現有蛋白質進行________，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產生活需要。
[解析]　(1)根據題意，在進行基因治療時，胰島素基因是目的基因，在體外條件下可利用PCR技術對其進行擴增，在基因工程中將目的基因導入動物細胞的常用方法是顯微注射法。(2)根據蛋白質工程的流程示意圖，可知整個流程是根據預期蛋白質的功能設計蛋白質的三維結構，然后推測相應的氨基酸序列，并找到相應的脫氧核苷酸序列，最后合成相應的蛋白質。(3)與基因工程相比，蛋白質工程是以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產生活需要。
[答案]　(1)目的基因　PCR　顯微注射法　(2)預期蛋白質的功能　相應的氨基酸序列　(3)修飾　合成　改造　基因工程與必修模塊知識的交匯點
[素能建構]
交匯點1　高中生物學中所學習的載體
(1)物質跨膜運輸的載體：細胞膜上的一種蛋白質。
(2)血液中O2運輸的載體：紅細胞中的血紅蛋白。
(3)基因工程中目的基因的載體：種類有質粒、噬菌體和動植物病毒等。
(4)細胞中遺傳信息的載體：細胞生物遺傳信息的載體是DNA。
(5)細胞核向細胞質傳遞信息的載體是mRNA。
(6)細胞間信息傳遞的載體：細胞釋放的信號分子，如：激素、神經遞質等。
交匯點2　基因表達載體中的啟動子、終止子，聯系必修課程模塊2中“基因的表達”和“mRNA中的起始密碼子、終止密碼子”交匯考查
(1)基因表達的過程包括轉錄和翻譯。
(2)啟動子、終止子是質粒上的具有特殊結構的DNA片段。
(3)起始密碼子、終止密碼子是mRNA上的三個相鄰堿基。
交匯點3　基因工程工具酶——限制性內切核酸酶，聯系必修課程模塊1中“有關酶的本質和特性”交匯考查
限制性內切核酸酶相關知識：
(1)本質：蛋白質。
(2)特性：具有特異性。
①一種限制酶只能識別雙鏈DNA分子中特定的核苷酸序列。
②切割雙鏈DNA分子每條鏈中特定序列中的特定位點，使該位點的磷酸二酯鍵斷開。
(3)作用：斷開連接兩個核苷酸的磷酸二酯鍵。
交匯點4　基因工程中目的基因、基因表達載體的化學組成及結構，聯系必修課程模塊2中“DNA分子的組成、結構”交匯考查
(1)DNA分子的基本組成單位：脫氧核糖核苷酸。
(2)DNA分子結構：DNA是由脫氧核苷酸連接而成的長鏈，相鄰脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接；在絕大多數生物的細胞中，DNA由兩條脫氧核苷酸鏈構成，兩條鏈通過堿基對之間的氫鍵相連；少數生物細胞中存在環狀雙鏈DNA分子。
[對應練習]
1．在一個典型的基因內部，啟動子(TSS)、終止子(TTS)、起始密碼子編碼序列(ATG)、終止密碼子編碼序列(TGA)的排列順序是(　　)
A．ATG—TGA—TSS—TTS
B．TSS—ATG—TGA一TTS
C．ATG—TSS—TTS—TGA
D．TSS—TTS—ATG—TGA
B　[在基因內部，不同位點的排列順序為：轉錄起始位點—起始密碼子編碼序列—終止密碼子編碼序列—轉錄終止位點。]
2．纖維素分子不能進入酵母細胞。為了使酵母菌能夠利用環境中的纖維素為原料生產酒精，構建了含3種不同基因片段的重組質粒。下圖是酵母菌轉化及纖維素酶在工程菌內合成與運輸的示意圖。
據圖回答：
(1)纖維素酶基因的表達包括________和________過程。與菌株Ⅱ相比，在菌株Ⅲ、Ⅳ中參與纖維素酶合成和分泌的細胞器還有__________________。
(2)在以纖維素為唯一碳源的培養基上分別培養菌株Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，菌株________不能存活，原因是_______________________。
(3)酵母菌生成酒精的細胞部位是________，產生酒精時細胞的呼吸方式是________。在利用纖維素生產酒精時，菌株Ⅳ更具優勢，因為導入的重組質粒含有____________，使分泌的纖維素酶固定于細胞壁，減少因培養液更新而造成的酶的流失，提高酶的利用率。
[解析]　(1)基因表達的過程包括轉錄和翻譯。菌株Ⅱ能合成纖維素酶，但不能分泌到細胞外，菌株Ⅲ、Ⅳ能夠合成和分泌纖維素酶。與菌株Ⅱ相比，在菌株Ⅲ、Ⅳ中參與纖維素酶合成和分泌的細胞器還有內質網和高爾基體。
(2)菌株Ⅱ導入的表達載體中不含信號肽編碼序列，因此合成的纖維素酶不能分泌到細胞外，不能利用纖維素，又無其他碳源，因此不能存活。
(3)菌株Ⅳ因導入的載體中有A基因片段，使其分泌的纖維素酶吸附在細胞壁上，減少了因培養液更新而造成的酶的流失，酶的利用率提高。
[答案]　(1)轉錄　翻譯　內質網、高爾基體
(2)Ⅱ　缺少信號肽編碼序列，合成的纖維素酶不能分泌到細胞外，細胞無可利用的碳源
(3)細胞質基質　無氧呼吸　A基因片段
3．為提高水稻的抗旱能力，科研人員將擬南芥GolS2基因導入水稻體內后，設法使該基因過量表達，產生較多的糖類化合物，從而達到預期目的。回答下列問題：
(1)從分子水平上看，基因工程得以實現的遺傳學物質基礎是___________________、_____________________。
(2)GolS2基因在水稻體內過量表達即可提高抗旱能力，說明基因通過___________，進而控制生物性狀，細胞內糖類化合物含量增多可以提高抗旱能力的原因是_________________。
(3)需將GolS2基因拼接在運載體上才能成功轉化，轉化指的是___________。GolS2基因在水稻體內能過量表達，是科學家對基因表達載體上的________進行修飾的結果。
(4)對導入了基因表達載體的細胞進行組織培養，需為其提供適宜的溫度和pH外，還需滿足的條件有____________(至少答出三點)。
[解析]　(1)基因工程得以實現的遺傳學物質基礎體現在兩方面：一是DNA的基本結構相同，可以使不同生物的DNA分子拼接在一起，構建基因表達載體；另一方面是基因表達的機制相同，所有生物共用一套密碼子。
(2)GolS2基因與糖類合成有關，而糖的合成需要酶的催化，因此GolS2基因通過控制酶的合成來控制糖代謝過程，進而控制生物性狀。從題意來看，細胞內GolS2基因的過量表達，使得細胞內糖類增多，增加了細胞液的濃度，進而使細胞吸水或保水能力增加。
(3)轉化是指目的基因進入受體細胞，并且在受體細胞內維持穩定和表達的過程。表達的第一個環節是轉錄，因此，修飾的應該是啟動子(調控基因轉錄的核苷酸序列)。
(4)植物組織培養過程除需要適宜的溫度和pH，還需植物激素的調控、適宜的營養以及無菌條件等。
[答案]　(1)不同生物DNA分子的基本結構相同(或“不同生物DNA分子都是雙螺旋結構”)　所有生物共用一套密碼子(需從核酸的角度回答，可以說轉錄和翻譯的機制相同，合理即可)
(2)控制酶的合成來控制代謝過程　細胞內糖類增多，增加了細胞液的濃度，進而使細胞吸水或保水能力增加
(3)目的基因進入受體細胞內，并且在受體細胞內維持穩定和表達的過程　啟動子
(4)一定的激素條件、適宜的營養、無菌環境
　基因工程與選擇性必修模塊知識的交匯點
[素能建構]
交匯點1　基因工程的應用廣泛，特別是在醫藥衛生領域的應用，很多抗體、疫苗、激素等都可通過基因工程生產，因此基因工程與選擇性必修模塊1中的激素調節、免疫調節可進行交匯考查
交匯點2　基因工程的應用還可能與本模塊中“體細胞核移植”“胚胎工程”等知識交匯考查
[對應練習]
1．在體內，人胰島素基因表達可合成出一條稱為前胰島素原的肽鏈，此肽鏈在內質網中經酶甲切割掉氨基端一段短肽后成為胰島素原，進入高爾基體的胰島素原經酶乙切割去除中間片段C后，產生A、B兩條肽鏈，再經酶丙作用生成由51個氨基酸殘基組成的胰島素。目前，利用基因工程技術可大量生產胰島素。回答下列問題：
(1)人體內合成前胰島素原的細胞是________，合成胰高血糖素的細胞是________。
(2)可根據胰島素原的氨基酸序列，設計并合成編碼胰島素原的________序列，用該序列與質粒表達載體構建胰島素原基因重組表達載體。再經過細菌轉化、篩選及鑒定，即可建立能穩定合成________的基因工程菌。
(3)用胰島素原抗體檢測該工程菌的培養物時，培養液無抗原—抗體反應，菌體有抗原—抗體反應，則用該工程菌進行工業發酵時，應從________中分離、純化胰島素原。胰島素原經酶處理便可轉變為胰島素。
[解析]　(1)由題意可知，前胰島素原在細胞內經加工后成為胰島素，人體合成胰島素的細胞是胰島B細胞，所以合成前胰島素原的細胞也是胰島B細胞；合成胰高血糖素的細胞是胰島A細胞。
(2)根據胰島素原的氨基酸序列，可設計并合成編碼胰島素原的DNA序列(即目的基因)；用該序列與質粒表達載體構建胰島素原基因重組表達載體，再經過細菌轉化、篩選及鑒定，即可建立能穩定合成人胰島素原的基因工程菌。
(3)根據題意，培養液無抗原—抗體反應，菌體有抗原—抗體反應，所以用該工程菌進行工業發酵時，應從菌體中分離、純化胰島素原，經酶處理便可轉變為胰島素。
[答案]　(1)胰島B細胞　胰島A細胞　(2)DNA　胰島素原　(3)菌體
2．(2020·全國卷Ⅲ)W是一種具有特定功能的人體蛋白質。某研究小組擬仿照制備乳腺生物反應器的研究思路，制備一種膀胱生物反應器來獲得W，基本過程如圖所示。
回答下列問題：
(1)步驟①中需要使用的工具酶有______________。步驟②和③所代表的操作分別是________和________。步驟④稱為________。
(2)與乳腺生物反應器相比，用膀胱生物反應器生產W的優勢在于不受轉基因動物的________(答出2點即可)的限制。
(3)一般來說，在同一動物個體中，乳腺上皮細胞與膀胱上皮細胞的細胞核中染色體DNA所含的遺傳信息________(填“相同”或“不同”)，原因是____________________________。
(4)從上述流程可知，制備生物反應器涉及胚胎工程，胚胎工程中所用到的主要技術有__________________(答出2點即可)。
[解析]　(1)步驟①是基因表達載體的構建過程，該過程需要使用的工具酶有限制性核酸內切酶(限制酶)和DNA連接酶，用限制酶分別切割載體和目的基因，用DNA連接酶將目的基因和載體連接起來。步驟②和③所代表的操作分別是顯微注射和體外培養。步驟④是將早期胚胎植入到代孕母體內，稱為胚胎移植。(2)與乳腺生物反應器相比，用膀胱生物反應器生產W的優勢在于不受轉基因動物的性別和年齡的限制。(3)乳腺上皮細胞和膀胱上皮細胞都是體細胞。一般來說，在同一動物個體中，其體細胞都是由同一個受精卵分裂、分化而來的，細胞在分裂、分化過程中，其細胞核中染色體DNA所含的遺傳信息一般是不變的，因此兩種上皮細胞的染色體DNA所含的遺傳信息相同。(4)據題述流程可知，胚胎工程中所用到的主要技術有體外受精、早期胚胎培養、胚胎移植等。
[答案]　(1)限制性核酸內切酶、DNA連接酶　顯微注射　體外培養　胚胎移植　(2)性別、年齡　(3)相同　兩種上皮細胞都是體細胞，且來源于同一個受精卵　(4)體外受精、胚胎移植

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